潘瑞媛,唐忠,史晨豪,魏敏捷,李安,戴尉陽
(1. 上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,上海 200090;2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司,江蘇 南京 211102)
在國家提出“雙碳”戰(zhàn)略目標下,作為可消納新能源、減少碳排放的微電網(wǎng)(microgrid,MG)數(shù)量在不斷增加。一定區(qū)域的配電網(wǎng)中可能存在多個含有不同種類、數(shù)量的分布式能源微電網(wǎng),若組成多微網(wǎng)系統(tǒng),進行微網(wǎng)間能量傳輸,既能降低多微網(wǎng)系統(tǒng)對配電網(wǎng)的依賴,增強電網(wǎng)供電可靠性,還能促進分布式能源就地消納,提高多微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟效益[1-4]。
國家發(fā)展改革委與國家能源局為促進中國電力市場深化改革,鼓勵各類企業(yè)、能源服務(wù)公司、地方政府等投資建設(shè)微電網(wǎng)項目,電網(wǎng)企業(yè)亦可參與新(改)建微電網(wǎng)。擁有配電網(wǎng)經(jīng)營權(quán)的配電網(wǎng)運營商擁有與電網(wǎng)企業(yè)相同的權(quán)利與責任。一定區(qū)域配電網(wǎng)中存在多個微電網(wǎng),該多微網(wǎng)系統(tǒng)作為促進配電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展和提高配電運營效率的發(fā)配電一體化系統(tǒng),其投資主體將由單主體投資形式向多主體聯(lián)合投資形式轉(zhuǎn)變。但含分布式能源的多微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本高昂,其并網(wǎng)會對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流和能量流動的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此,若配電網(wǎng)運營商參與投資多微網(wǎng)系統(tǒng),則能減輕建設(shè)壓力,引導(dǎo)多微網(wǎng)有序建設(shè)。如何在平衡不同投資主體利益前提下進行多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置是亟須解決的重要問題。
目前國內(nèi)外針對不同主體投資微電網(wǎng)的優(yōu)化配置問題已經(jīng)展開了一系列的研究。文獻[5-7]分別對計及可控負荷、考慮需求側(cè)協(xié)同響應(yīng)、考慮源荷雙側(cè)的不確定性的獨立微電網(wǎng)進行優(yōu)化配置。文獻[8-9]對能源集線器模型進行分層,結(jié)合圖論對微網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)備容量進行優(yōu)化。文獻[10]考慮用戶、投資商等投資主體單獨投資多個微電網(wǎng)的問題,目的是比較單主體投資單個微電網(wǎng)。上述文獻均針對單主體投資微電網(wǎng)進行優(yōu)化配置,并未考慮到多主體投資多微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置。
針對配電網(wǎng)與微電網(wǎng)運營商聯(lián)合投資的多微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置中投資主體間的利益沖突問題,國內(nèi)外學(xué)者多采用博弈法平衡它們之間的經(jīng)濟關(guān)系。文獻[11]通過合作博弈建立微電網(wǎng)買賣雙方進行電能交易的競價機制,解決多微電網(wǎng)之間競價、收益分配的問題。文獻[12-13]通過非合作博弈確定多微網(wǎng)電能交易策略以及最優(yōu)售電方案。文獻[14]基于日前和日內(nèi)調(diào)度兩個階段,構(gòu)建發(fā)電微網(wǎng)和用戶微網(wǎng)間的主從博弈模型,進行多微網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度。上述文獻主要針對多微網(wǎng)系統(tǒng)中微網(wǎng)間的利益沖突構(gòu)建博弈模型求解,并未考慮到對多微網(wǎng)系統(tǒng)中多投資主體間的主從利益關(guān)系進行博弈。
為解決多微網(wǎng)運營商和配電網(wǎng)運營商聯(lián)合投資多微網(wǎng)系統(tǒng)中投資主體間的利益沖突,本文綜合考慮不同投資主體間的收益函數(shù),構(gòu)建一個以多微網(wǎng)運營商為博弈主體、配電網(wǎng)投資商為博弈從體的主從博弈模型進行多微網(wǎng)優(yōu)化配置。以某地多微網(wǎng)系統(tǒng)真實負荷數(shù)據(jù)為仿真算例,設(shè)置4個不同的方案對比驗證發(fā)現(xiàn):考慮多主體投資的主從博弈方案降低了多微網(wǎng)系統(tǒng)投資成本,平衡了多微網(wǎng)運營商和配電網(wǎng)運營商之間的利益沖突。
微電網(wǎng)根據(jù)是否與大電網(wǎng)相連可分為2種類型:獨立型微電網(wǎng)和并網(wǎng)型微電網(wǎng)。本文主要針對配電網(wǎng)中的微電網(wǎng),即并網(wǎng)型微網(wǎng)進行優(yōu)化配置,構(gòu)建了如圖1所示的多微網(wǎng)系統(tǒng)[15]。在該系統(tǒng)中,各微電網(wǎng)之間以及微電網(wǎng)與配網(wǎng)間均能進行電能交互,每個微電網(wǎng)主要由光伏系統(tǒng)(photovoltaic,PV)、風(fēng)機系統(tǒng) (wind turbines,WT)、微型燃氣輪機系統(tǒng)(microturbine,MT)、鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng) (battery energy storage system,BESS) 4個主要部分組成。
圖1 多微網(wǎng)系統(tǒng)Fig. 1 Multi-microgrid system
多微網(wǎng)系統(tǒng)中,不僅各微網(wǎng)間可以進行電能交互,微網(wǎng)與配電網(wǎng)也可以進行電能交互。其目的是優(yōu)先使多微網(wǎng)系統(tǒng)中的“多電微網(wǎng)”與“缺電微網(wǎng)”進行電能協(xié)調(diào)互補,當整個多微網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電能盈余或缺額時再與配電網(wǎng)進行電能交互,實現(xiàn)多微網(wǎng)系統(tǒng)整體配置和收益最優(yōu),其中第i個微電網(wǎng)運行策略如下。
(1)優(yōu)先利用微網(wǎng)中PV、WT等可再生能源的出力,若出力不足則由MT、BESS供電。
(2)當微網(wǎng)功率不足時,因微網(wǎng)間購電電價低于微網(wǎng)向配網(wǎng)購電電價,則少電微網(wǎng)優(yōu)先向多電微網(wǎng)購電,再考慮向配網(wǎng)購電。
(3)若微網(wǎng)間功率交互完成后,仍有微網(wǎng)電量富裕,則將其全部賣給配網(wǎng)。
隨著微網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用,同一區(qū)域配電網(wǎng)中將存在多個微電網(wǎng),可形成區(qū)域多微網(wǎng)系統(tǒng)。單個微電網(wǎng)運營商在配置源-儲數(shù)量時,以減少微電網(wǎng)建設(shè)成本并最大化內(nèi)部收益為目標。而多微網(wǎng)運營商(multi-microgrid system operator)在進行源-儲最優(yōu)規(guī)劃時,由于各微網(wǎng)間可進行電能交互,則以多微網(wǎng)運營商收益最大為目標,優(yōu)選各微網(wǎng)分布式電源、儲能的數(shù)量,使整個系統(tǒng)的源-儲配置最優(yōu)。配電網(wǎng)運營商參與投資多微網(wǎng)系統(tǒng),會減少多微網(wǎng)運營商的收益,但同時也會大大減輕其建設(shè)壓力[16]。
對配電網(wǎng)運營商 (distribution network operator,DNO)來說,多微網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)對配電網(wǎng)運營商售電收益會產(chǎn)生影響,但有利于解決本地負荷的增長需求及分布式能源的就地消納,降低了配電網(wǎng)建設(shè)投資[17]。
因而在多微網(wǎng)運營商與配電網(wǎng)運營商聯(lián)合投資建設(shè)多微網(wǎng)系統(tǒng)的過程中,雖然有利益沖突,但是存在緊密的利益聯(lián)系。雙方目標函數(shù)都受對方策略影響,以多微網(wǎng)系統(tǒng)對源-儲規(guī)劃的配置方案為主要影響。因此,配電網(wǎng)聯(lián)合投資的多微網(wǎng)系統(tǒng)源-儲優(yōu)化配置問題是典型的主從博弈問題。以多微電網(wǎng)運營商作為博弈主體,配電網(wǎng)運營商作為博弈從體,即多微網(wǎng)運營商擁有最終源-儲配置以及投資比例的決定權(quán)。
在多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置中,多微網(wǎng)運營商的利益目標是多微網(wǎng)系統(tǒng)年運營成本最小,由此以多微網(wǎng)系統(tǒng)平均年支付成本P最小建立多微網(wǎng)支付函數(shù)為
式中:Cinv為多微網(wǎng)系統(tǒng)分布式電源、儲能年投資成本;Cmain為多微網(wǎng)系統(tǒng)源、儲年運行維護成本;CGas為多微網(wǎng)系統(tǒng)微型燃氣輪機燃料成本;IMM為微網(wǎng)間售購電收益;IMD為微網(wǎng)與配網(wǎng)間售購電收益;Isub為微電網(wǎng)光伏、風(fēng)機發(fā)電補貼;a為多微網(wǎng)系統(tǒng)投資建設(shè)成本占比;b為多微網(wǎng)系統(tǒng)收益成分系數(shù)。
多微網(wǎng)系統(tǒng)的收益分成系數(shù)b與投資建設(shè)成本占比a關(guān)系為
式中:n為微網(wǎng)個數(shù);m為設(shè)備類型,m=1,代表MT,m=2,代表PV,m=3,代表WT,m=4,代表BESS;Ni,m為第i個微網(wǎng)中設(shè)備m的安裝臺數(shù);pi,m為第i個微網(wǎng)中設(shè)備m的單臺容量;fi,m為第i個微網(wǎng)中設(shè)備m單位容量的投資費用;r為資金貼現(xiàn)率;τi,m為第i個微網(wǎng)中設(shè)備m的使用年限。
(2)源、儲平均年運行維護成本為
式中: Qi,m為第i個微網(wǎng)中設(shè)備m單位功率的運行維護費用。
(3)微型燃氣輪機的燃料成本為
式中:cgas為天然氣價格;為第i個微網(wǎng)中MT的輸出功率;GGas為燃氣的低熱值;ηMT為MT發(fā)電效率;T為時段數(shù)量,本文取8 760 h。
(4)售購電收益。
① 多微網(wǎng)協(xié)調(diào)交互收益為
② 多微網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)電能交互收益為
(5)光伏、風(fēng)機發(fā)電政府補貼收益為
在配電網(wǎng)運營商對多微網(wǎng)系統(tǒng)源-儲建設(shè)投資時,追求收益最大化。配電網(wǎng)運營商的收益W包括投資多微網(wǎng)系統(tǒng)所得的分紅收益、配電網(wǎng)與多微網(wǎng)間購售電收益、延緩配電網(wǎng)升級建設(shè)收益以及多微網(wǎng)源-儲建設(shè)費用,即
式中:IMG為多微網(wǎng)系統(tǒng)運營商收益;Idef為多微網(wǎng)延緩配電網(wǎng)升級建設(shè)收益; d為配網(wǎng)投資建設(shè)成本占比;e為配網(wǎng)收益成分系數(shù)。
(1)多微電網(wǎng)系統(tǒng)運營收益為
(2)多微網(wǎng)系統(tǒng)延緩配電網(wǎng)升級建設(shè)收益為
式中:cex為配電網(wǎng)擴建單位容量的投資費用;h為通貨膨脹率;Y為延緩配電網(wǎng)升級建設(shè)的年數(shù);k為負荷年增長率;為建設(shè)微電網(wǎng)后負荷削減比例;為微網(wǎng)i時刻t負荷削減量;為微網(wǎng)i時刻t的負荷;為微網(wǎng)i時刻t儲能電池的放電功率。
主從博弈是指博弈主體根據(jù)自己的目標首先進行決策,博弈從體根據(jù)博弈主體的策略進行決策,直到達到納什均衡[18-21]。本文的主從博弈框架如圖2所示。
圖2 主從博弈框架Fig. 2 Framework of Stackelberg game
圖2中,多微網(wǎng)系統(tǒng)作為主要投資者,也是博弈主體,以多微網(wǎng)系統(tǒng)年成本P最小為目標,首先制定出各微電網(wǎng)中微-源的配置方案;配電網(wǎng)作為參與投資者即博弈從體,以配電網(wǎng)年收益W最大為目標,根據(jù)微源配置數(shù)量U及微網(wǎng)與配網(wǎng)間的交互功率PMD調(diào)整自己的投資占比d并反饋給多微網(wǎng)系統(tǒng);多微網(wǎng)系統(tǒng)考慮配電網(wǎng)的投資策略及相關(guān)約束條件,對微源配置方案進行調(diào)整,作出最有利于自己的決策,如此反復(fù),直至雙方?jīng)Q策實現(xiàn)最終平衡,即達到了納什均衡。
對于上述主從博弈模型,本文采用自適應(yīng)遺傳算法(AGA)與粒子群算法(PSO)相結(jié)合的算法進行求解[22-25]。自適應(yīng)遺傳算法與粒子群算法相結(jié)合的算法全局尋優(yōu)能力好,且能提高搜索效率跟收斂性。具體求解流程如下。
(1)載入各項基本數(shù)據(jù),初始化各個算法參數(shù)。
(2)多微網(wǎng)系統(tǒng)生成源儲配置方案。
(3)配電網(wǎng)運營商作為參與投資者,在追求對微網(wǎng)投資收益最大的目標下通過AGA算法確定投資策略反饋給多微網(wǎng)系統(tǒng)。
(4)多微網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)配電網(wǎng)的投資策略,綜合考慮微源的配置成本及收益,以最小化年成本為目標,通過PSO算法確定微網(wǎng)的配置方案。
(5)判斷是否達到Nash均衡,即此情況下無一參與者可以獨自行動而增加收益。若是,則輸出最終結(jié)果,否則轉(zhuǎn)到步驟(3)再次進行優(yōu)化。
文中選取含有3個微電網(wǎng)(MG1、MG2、MG3)的多微網(wǎng)系統(tǒng)為算例,結(jié)構(gòu)見圖1,相關(guān)設(shè)備參數(shù)如表1所示[17,26]。微網(wǎng)與配網(wǎng)購(售)電電價及微網(wǎng)間購(售)電電價如表2所示[15],為保護配電網(wǎng)利益并激勵微網(wǎng)間進行電能交互,微電網(wǎng)從配電網(wǎng)處購電電價高于微網(wǎng)向配網(wǎng)售電電價;微電網(wǎng)間購售電電價相同,且介于微電網(wǎng)與配電網(wǎng)售電電價和購電電價之間。天然氣的價格為2.67元/m3,資金貼現(xiàn)率為8%[27-28]。
表1 微電網(wǎng)微源基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of micro-sources in microgrids
表2 購(售)電電價Table 2 Purchase (sale) price of electricity
該多微網(wǎng)系統(tǒng)選取某地2018年3個微網(wǎng)MG1、MG2、MG3的全年負荷數(shù)據(jù),以1 h為步長,全年數(shù)據(jù)分為8760個點,如圖3所示。
結(jié)合上述3個微電網(wǎng)數(shù)據(jù)及微源參數(shù),采用改進算法對所建的主從博弈模型進行仿真計算,設(shè)置粒子群的種群規(guī)模為50,迭代次數(shù)為200次。求解獲得參與主從博弈模式的最優(yōu)源-儲數(shù)量配置方案,并計算該規(guī)劃下多微網(wǎng)系統(tǒng)年化總成本和配電網(wǎng)收益情況;通過如下4個方案進行收益比較。
(1)采用本文所述方案,考慮微網(wǎng)與配網(wǎng)聯(lián)合投資多微網(wǎng)系統(tǒng)及微網(wǎng)間進行電能交互,并構(gòu)建主從博弈模型進行多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置。
(2)考慮微網(wǎng)與配網(wǎng)聯(lián)合投資多微網(wǎng)系統(tǒng)及微網(wǎng)間進行電能交互,采用多目標粒子群算法進行多微網(wǎng)容量規(guī)劃,目的是比較主從博弈模型與使用多目標粒子群算法對多微網(wǎng)系統(tǒng)配置的影響。
(3)考慮多主體聯(lián)合投資多微網(wǎng)系統(tǒng)但不考慮微網(wǎng)間電能交互,多微網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)間仍建立主從博弈模型,目的是分析微網(wǎng)間電能交互對多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響。
(4)考慮微網(wǎng)間電能交互但僅考慮微電網(wǎng)運營商投資微網(wǎng)并獲得收益,采用單目標粒子群優(yōu)化算法,目的是對比單主體投資與多主體投資對多微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響。
以上4個方案下多微網(wǎng)系統(tǒng)源-儲配置結(jié)果如表3所示,多微網(wǎng)系統(tǒng)年化總成本和配電網(wǎng)收益如表4所示。
表4 多微網(wǎng)系統(tǒng)年化總成本、配電網(wǎng)收益Table 4 Total annual cost of multi-microgrid system and revenue of distribution networks
下面結(jié)合表3和表4的結(jié)果對4個方案進行對比分析。
4.2.1 主從博弈結(jié)果分析
為分析多微網(wǎng)系統(tǒng)和配電網(wǎng)進行博弈時對源-儲規(guī)劃和經(jīng)濟效益的影響,將方案1和方案2進行對比。由表3可見,相比于無博弈的情況,有博弈時多微網(wǎng)系統(tǒng)中光伏個數(shù)有所增加而微型燃氣輪機和儲能電池的數(shù)量減少較多。
圖4和圖5所示的迭代過程可以更好地對比方案1和方案2下多微網(wǎng)系統(tǒng)和配電網(wǎng)間的經(jīng)濟效益。由圖4可見,迭代至100次后,多微網(wǎng)系統(tǒng)年化總成本趨于穩(wěn)定,且相比于無博弈的方案2,有博弈時年化總成本減少約100多萬元。由圖5可見,迭代穩(wěn)定后,配電網(wǎng)在有博弈時經(jīng)濟收益較無博弈的方案2增加約45萬元。當計及多微網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)間博弈時,配電網(wǎng)享有對雙方交互功率的約束權(quán),由于參與投資多微網(wǎng)系統(tǒng),對源-儲數(shù)量規(guī)劃有建議權(quán),可根據(jù)自身利益對源-儲數(shù)量進行優(yōu)化,它們之間主從博弈對提升整體的經(jīng)濟性有促進作用。
圖4 多微網(wǎng)系統(tǒng)年化總成本Fig. 4 Annualized total cost of multi-microgrid system
圖5 配電網(wǎng)年收益Fig. 5 Annual revenue of distribution networks
4.2.2 微網(wǎng)間電能交互結(jié)果分析
為體現(xiàn)微網(wǎng)間電能交互時功率流動對多微網(wǎng)系統(tǒng)的影響,本文以MG2為例,選取夏至作為典型場景日進行分析。圖6和圖7給出考慮微網(wǎng)電能交互與微網(wǎng)獨立規(guī)劃時(即方案1與方案3)MG2的功率平衡曲線。
圖6 MG2在方案1下的功率平衡曲線Fig. 6 Power balance curve of MG2 under plan 1
當微網(wǎng)間不存在電能交互時,即方案3(圖7),MG2在夏至中負荷需求較大,功率缺失時通過向電網(wǎng)購電、燃氣輪機和儲能電池發(fā)電協(xié)調(diào)滿足。在電網(wǎng)電價較高時段(08:00—11:00,18:00—23:00),MG2功率缺失時則通過微型燃氣輪機和儲能電池發(fā)電,若電量有剩余則向儲能電池充電,還有剩余則賣給電網(wǎng);在電網(wǎng)電價較低時段(23:00—07:00,MG2發(fā)電功率較小,在儲能電池電能不足時向電網(wǎng)購電給電池充電。
圖7 MG2在方案3下的功率平衡曲線Fig. 7 Power balance curve of MG2 under plan 3
當微網(wǎng)間存在功率交互時,由方案1結(jié)果(圖6)可見,微網(wǎng)間功率交互增多,MG2與電網(wǎng)間電能交互減少。當電網(wǎng)購電電價較高時段,MG2儲能電池電量不足時,它會優(yōu)先選擇向電價較低的MG1和MG3購電。微網(wǎng)間電能交互的電價較低,因而多微網(wǎng)系統(tǒng)整體的收益增加。
由表3配置結(jié)果同樣可以看出,未考慮微網(wǎng)間電能交互,各微網(wǎng)在缺少電能時需增加分布式電源數(shù)量或向電能價格更高的電網(wǎng)購電,因此方案3中微型燃氣輪機和儲能電池的數(shù)量增長較多。
4.2.3 多主體投資結(jié)果分析
為了更加直觀地分析在考慮配電網(wǎng)聯(lián)合投資后的規(guī)劃結(jié)果對多微網(wǎng)系統(tǒng)收益的影響,以多微網(wǎng)系統(tǒng)一天中售購電收益、光伏和風(fēng)機發(fā)電政府補貼為研究對象,分析規(guī)劃結(jié)果對多微網(wǎng)系統(tǒng)運營商收益的影響。選取4季典型場景日中夏至為例進行分析,結(jié)果如圖8所示。當多微網(wǎng)系統(tǒng)收益為負時代表向電網(wǎng)購電。
圖8 多微網(wǎng)系統(tǒng)在方案1和方案4下的收益Fig. 8 Revenue of multi-microgrid system under plan 1 and plan 4
由圖8可知,因為夏至?xí)r光伏數(shù)量較多,所以2個方案下多微電網(wǎng)系統(tǒng)的收益均較大,僅考慮單主體投資的方案4較多主體投資的方案1收益更多,這是因為不考慮配電網(wǎng)聯(lián)合投資的方案4下多微網(wǎng)系統(tǒng)單獨投資建設(shè)微網(wǎng)且獲得全部收益。而由表3和表4可知,方案4因為未考慮配電網(wǎng)聯(lián)合投資,所以各微電網(wǎng)為了提高收益,大量建設(shè)分布式電源,雖然每日收益較多,但是投資費用以及運營維護成本較高,導(dǎo)致各微電網(wǎng)年總成本較其他方案增加最多,配電網(wǎng)收益也因微電網(wǎng)大量余電上網(wǎng)而降低最多。
本文提出了一種考慮微網(wǎng)間電能交互的多主體投資多微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法,建立了多微網(wǎng)系統(tǒng)與配網(wǎng)間的主從博弈模型,驗證了模型的收斂性并在4種不同方案下對多微網(wǎng)配置結(jié)果進行對比分析,得出以下結(jié)論。
(1)采用主從博弈法進行多微網(wǎng)規(guī)劃,充分考慮了多微電網(wǎng)運營商和配電網(wǎng)運營商之間利益的博弈關(guān)系,更加合理地進行多微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置,平衡了微電網(wǎng)和配電網(wǎng)間的利益沖突。
(2)考慮微網(wǎng)間電能交互后,分布式電源投資數(shù)量減少,微網(wǎng)間售購電次數(shù)增加,降低了多微網(wǎng)系統(tǒng)投資成本和運行成本。
(3)考慮微電網(wǎng)運營商和配電網(wǎng)運營商聯(lián)合投資多微電網(wǎng)后,多微網(wǎng)系統(tǒng)整體投資成本大大降低且配電網(wǎng)運營商的收益增加。
本文多微網(wǎng)系統(tǒng)模型只考慮了電能交互的部分,未來仍需進一步探索電-熱-氣聯(lián)動的綜合能源多微網(wǎng)的配置規(guī)劃。